Фрактальные узоры спонтанно возникают при росте бактериальных клеток

Ученые обнаружили, что высокоасимметричные и разветвленные паттерны — результат физических сил и локальных нестабильностей. Исследование важно для понимания биопленок и многоклеточных систем.

Хотя бактериальные колонии всегда образуют круговые формы по мере роста, их клетки формируют внутренние разделения, которые являются высокоасимметричными и разветвленными. Новое исследование показывает, что эти фрактальные (самоподобные) паттерны обусловлены физическими силами и локальными нестабильностями, естественными для роста бактериальных клеток. Работа, опубликованная в научном журнале ACS Synthetic Biology, имеет важное значение для развивающейся области синтетической биологии.

Используя комбинацию генетических, микроскопических и вычислительных инструментов, ученые из Кембриджа создали систему для изучения развития многоклеточных бактериальных популяций. Пометив бактерии, вставив гены для белков разного цвета, исследователи с помощью микроскопов высокого разрешения детально изучили рост популяций. Они обнаружили, что по мере роста клеточные популяции естественным образом образуют поразительные и неожиданные разветвленные паттерны, называемые фракталами. Затем ученые использовали крупномасштабные компьютерные модели для изучения процесса формирования паттернов.

Они показали, что по мере роста каждой бактерии в одном направлении образуются линии или ряды клеток, но эти ряды нестабильны к малым возмущениям. Когда большое количество клеток толкается друг о друга, механическая нестабильность приводит к изгибу и складыванию клеточных рядов. Это повторяется по мере продолжения роста и деления клеток, что приводит к образованию «плотов» выровненных клеток, расположенных в самоподобных разветвленных паттернах, или фракталах.

Эти микроскопические фрактальные паттерны возникают спонтанно из физических взаимодействий между большим количеством клеток внутри популяции. Это было проверено путем изучения взаимодействий между двумя клеточными популяциями и мутантной бактерией, имеющей круглую форму (где такое поведение не наблюдается).

Доктор Джим Хазелофф из Департамента наук о растениях Кембриджского университета, ведущий автор исследования, сказал: «Яркие биологические паттерны возникают даже из тонких взаимодействий. Подобные явления наблюдаются при возникновении порядка в экономических, социальных и политических системах».

«Поведение больших популяций может быть трудно предсказать, но эта работа привела к валидации быстрых и точных компьютерных моделей, которые предоставляют испытательный стенд для перепрограммирования многоклеточных систем».

Синтетическая биология — это новая область, применяющая инженерные принципы к биологии для перепрограммирования живых систем с использованием ДНК. Она имеет потенциал для создания нового поколения устойчивых технологий, с перспективой новых форм материалов и энергии, производимых из биологического сырья и переработки отходов. Поскольку синтетические биологи начинают перепрограммировать поведение больших популяций клеток для изучения новых форм самоорганизации и функций, это исследование будет иметь важное значение для их работы.

Доктор Хазелофф добавил: «Это экспериментальная система, которая может захватить физику, клеточность и генетику роста в простой системе — и которая позволяет новый подход «возникновения в пробирке».

«Кроме того, она дает новое представление о том, как клеточные популяции могут взаимодействовать на ранних стадиях формирования медицински важных бактериальных популяций или биопленок, и создавать нерегулярные границы для инвазивного роста и увеличения контакта с поверхностью. Это может иметь важные последствия для понимания формирования этих биопленок и для конструирования новых биопленок в биотехнологии».